方　正　李　磊　柳子堯　羅　蓉　馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)　武漢　430063)　(湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司2)　武漢　430212) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)　武漢　430014)

長(zhǎng)江青砂壓實(shí)和承載強(qiáng)度特性研究*

方正1)李磊2)柳子堯1)羅蓉1)馮光樂3)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢430063)(湖北長(zhǎng)江路橋股份有限公司2)武漢430212) (湖北省交通廳工程質(zhì)量監(jiān)督局3)武漢430014)

摘要：針對(duì)填砂路基施工過程中施工機(jī)械容易發(fā)生陷輪的現(xiàn)象，選取湖北潛江至江陵高速公路江陵段中的填砂路基進(jìn)行了室內(nèi)加州承載比試驗(yàn)，探討了青砂的壓實(shí)度和CBR值在含水率，以及擊實(shí)功變化下的變化情況.研究結(jié)果表明，在擊實(shí)功較小時(shí)，青砂CBR峰值含水率要略小于其最佳含水率，對(duì)于不同擊實(shí)功，青砂CBR峰值都對(duì)應(yīng)于最大干密度處；試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果都說明在當(dāng)?shù)叵募娟幪鞖夂驐l件下，對(duì)灑水半天后的青砂進(jìn)行碾壓，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械陷輪的現(xiàn)象；在施工過程中需要不斷灑水，維持青砂的含水率在最佳含水率附近，從而保證青砂碾壓后的壓實(shí)度.

關(guān)鍵詞：青砂；含水率；擊實(shí)功；壓實(shí)度；加州承載比(CBR)

0引言

在江漢平原地區(qū)，由于地下水位高，往往需要填筑較高的路基，而由于某些地帶土資源較為匱乏，高速公路的修筑當(dāng)中需要尋找其他的路基填料.湖北潛江至江陵高速公路的江陵段臨近長(zhǎng)江，擁有豐富的河砂資源，而河砂作為路基填筑材料對(duì)項(xiàng)目而言是一種經(jīng)濟(jì)又方便的選擇.砂作為一種路基填筑材料，具有水穩(wěn)定性好、透水性強(qiáng)、飽水易壓實(shí)的特點(diǎn)，但同時(shí)也存在易沉陷、干穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[1].項(xiàng)目的施工過程中，由于對(duì)灑水后的砂路基的強(qiáng)度不能進(jìn)行很好的主觀判斷，往往會(huì)出現(xiàn)砂的承載力不夠，導(dǎo)致機(jī)械陷輪的問題.

目前我國(guó)施工規(guī)范中沒有關(guān)于填砂路基施工工藝及質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[2]，國(guó)內(nèi)關(guān)于填砂路基的工程實(shí)例大多為沙漠戈壁地區(qū)的風(fēng)積沙路基[3]，以及江河密集地區(qū)的吹填砂路基[4].由汽車運(yùn)輸河砂在高速公路大規(guī)模應(yīng)用的工程實(shí)例較少，僅有江西省樂化至溫家圳段高速公路和上海崇明島接線工程等[5].本文針對(duì)填砂路基施工過程中，施工機(jī)械容易發(fā)生陷輪的現(xiàn)象，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)青砂的壓實(shí)和承載力進(jìn)行了相關(guān)研究.

1砂的基本性質(zhì)

1.1青砂的顆粒分析

砂取于湖北省江陵縣郝穴鎮(zhèn)長(zhǎng)江碼頭，砂為長(zhǎng)江內(nèi)采集的青砂.采用《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中的篩分法(T 0115-1993)進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)[6]，其結(jié)果見表1.

表1　砂的顆粒分析

由顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果可得，砂的不均勻系數(shù)Cu為3.33，屬于不良級(jí)配.粒徑大于1 mm的砂很少，而0.075 mm以上砂的顆粒超過了總質(zhì)量85%，根據(jù)規(guī)范分類為細(xì)砂.

1.2青砂的擊實(shí)試驗(yàn)

參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)，在現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)室分別進(jìn)行了青砂的擊實(shí)試驗(yàn)，用來測(cè)定青砂的最佳含水率和最大干密度.試驗(yàn)儀器為多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，試驗(yàn)具體參數(shù)見表2.

表2　試驗(yàn)具體參數(shù)

依照規(guī)范，砂的粒徑應(yīng)該按照輕型擊實(shí)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，但為保證與后續(xù)的CBR試驗(yàn)試件的一致，統(tǒng)一采用重型擊實(shí)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn).按照干土法制備樣料，總共預(yù)加了8個(gè)含水率，6%，8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%，悶料一夜，開始擊實(shí)試驗(yàn).分3層進(jìn)行擊實(shí)，每層放入1 500～1 700 g砂，每層擊實(shí)數(shù)為98次，將成型后的試件脫模稱重，并測(cè)得試件的含水率，然后計(jì)算出試件的濕密度和干密度.

最終得到青砂的最佳含水率和最大干密度，見圖1.

圖1　青砂的擊實(shí)試驗(yàn)

由圖1可見，青砂的干密度先是減少然后逐漸增大，在含水率16%處出現(xiàn)了最高點(diǎn)，然后下降.青砂的干密度也有2個(gè)峰值，一個(gè)最大干密度在含水率5%之前，另一個(gè)在含水率16%處.考慮到填砂路基的施工當(dāng)中，一般都會(huì)過量灑水，砂的含水率普遍是大于5%的，因此這里選擇16%處的干密度作為青砂的最大干密度，最佳含水率為16%.

2青砂的CBR試驗(yàn)

在填砂路基的施工中，往往會(huì)因?yàn)樯暗膹?qiáng)度不夠，導(dǎo)致機(jī)械無(wú)法進(jìn)行攤鋪碾壓，而影響砂強(qiáng)度的主要原因是砂的壓實(shí)度，砂的壓實(shí)度又由含水率和壓實(shí)功控制.所以本文在進(jìn)行砂的承載比試驗(yàn)(CBR)時(shí)，考慮了含水率和擊實(shí)功兩方面的影響，分別研究了在30次、50次、98次擊實(shí)下，不同含水率試件的承載比.

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率為16%，承載比試驗(yàn)選擇的5個(gè)含水率為10%，12%，14%，16%，18%，為保證同擊實(shí)試驗(yàn)的一致性，試驗(yàn)儀器采用同擊實(shí)試驗(yàn)一樣的多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，試驗(yàn)參數(shù)也保持一致.

2.1青砂的干密度和濕密度

不同含水率以及擊實(shí)功下，試件干密度和濕密度見圖2～3.

圖2　干密度隨含水率以及擊實(shí)功的變化曲線

圖3　濕密度隨含水率以及擊實(shí)功的變化曲線

由圖2～3可見，隨著擊實(shí)功的增加，試件的干密度和濕密度都在增大.從圖3可以得到，不同擊實(shí)功作用下，試件濕密度隨著含水率的增大呈上升趨勢(shì)；在圖2中可以得到，在30和50次擊實(shí)下，試件干密度在12%左右達(dá)到最大值，而在98次擊實(shí)下，試件干密度在16%處達(dá)到最大值.這說明試件在30次和50次擊實(shí)下的密實(shí)情況與98次有一定的區(qū)別，在30次和50次擊實(shí)下的最佳含水率相對(duì)于98次擊實(shí)下的最佳含水率偏小，但是擊實(shí)次數(shù)越多試件都越密實(shí).

2.2青砂的CBR值

在試件成型以后，在試件上添加荷載板和百分表，讀取百分表的讀數(shù)，然后在水中浸泡4 d.養(yǎng)護(hù)完成之后，取出試件讀取百分表讀數(shù)，并利用路面強(qiáng)度測(cè)試儀，進(jìn)行承載比的試驗(yàn)，具體步驟見圖4.

圖4　承載比試驗(yàn)過程

試驗(yàn)完后，根據(jù)路面強(qiáng)度測(cè)試儀上的百分表讀數(shù)，利用公式計(jì)算出青砂的承載比(CBR).具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和圖5.

表3　不同含水率和擊實(shí)功下的青砂的CBR值

圖5　青砂CBR隨含水率以及擊實(shí)功的變化曲線

由圖5可知，在30次擊實(shí)的條件下，不同含水率的試件承載比變化不大，在50次擊實(shí)的條件下，試件在含水率12%處的承載比最大，而不是在最佳含水率16%處，并隨著含水率的增加承載比不斷下降，在98次擊實(shí)的條件下，試件在16%處的承載比最大.

結(jié)合圖2可見，在 50次擊實(shí)條件下，試件干密度最大時(shí)，試件的CBR也達(dá)到峰值(含水率12%的試件，干密度為1.57，CBR值為7.2)，說明砂越密實(shí)，其承載能力也越強(qiáng).可是在30次擊實(shí)條件下，試件干密度最大時(shí)，其CBR值并不是最大(含水率12%的試件，干密度為1.53，CBR值為3.94，CBR不是最大).分析其原因，在30次擊實(shí)條件下，如圖5所示，5個(gè)含水率試件的CBR值變化不大(3.54～4.09)，并且遠(yuǎn)小于50次擊實(shí)條件下的試件CBR值(4.5～7.2)，這說明在30次擊實(shí)條件下，試件不夠密實(shí)，此時(shí)試件承載力隨含水率的變化并沒有明顯規(guī)律，并且承載能力較弱.

圖5中，在98次擊實(shí)條件下，試件在含水率16%處的干密度達(dá)到峰值，其承載比的變化規(guī)律與干密度的變化一致，因此也說明對(duì)于該青砂，越密實(shí)其承載能力就越強(qiáng).對(duì)比50次和98次擊實(shí)，可以發(fā)現(xiàn)青砂的最大干密度不在同一個(gè)點(diǎn)處，說明擊實(shí)功對(duì)青砂的最大干密度和最佳含水率有影響.

3青砂含水率的變化規(guī)律

當(dāng)砂的含水率接近最佳含水率時(shí)，砂料有較好的承載力，進(jìn)行機(jī)械碾壓也可使砂料的壓實(shí)度更高，保證填砂路基的強(qiáng)度.實(shí)際施工過程中，一般會(huì)對(duì)攤鋪完后的砂料進(jìn)行過量灑水，然后等待一段時(shí)間，使砂料含水率到最佳含水率并具有一定強(qiáng)度后再進(jìn)行碾壓.因此，對(duì)青砂的含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，來確定施工中過量灑水后的青砂，進(jìn)行碾壓所需等待的時(shí)間.

由于青砂含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律與施工環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等眾多因素有關(guān)，在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)考慮溫度對(duì)其含水率的影響.青砂初始含水率為25%，置于室外避光處，室外溫度為22.2～28.4 ℃，相對(duì)濕度81.4%～96.6%，風(fēng)速為1.7～3.3 m·s-1，每隔1 h取樣烘干測(cè)定含水率，青砂含水率隨時(shí)間變化，見圖6.

圖6　青砂含水率隨時(shí)間的變化

由上文可知，青砂從初始含水率25%下降到了最佳含水率16%大約需要12 h時(shí)間，然后在晚上會(huì)少量的吸水，在36 h后含水率下降到13%.結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)灑水半天后的青砂進(jìn)行碾壓，發(fā)現(xiàn)不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械陷輪的現(xiàn)象，并且在施工過程中不斷灑水，使青砂的含水率維持在最佳含水率附近，從而保證青砂碾壓后的壓實(shí)度.

4結(jié)論

1) 對(duì)于青砂來說，干密度隨含水率的變化曲線是一個(gè)雙峰曲線，存在2個(gè)干密度峰值，但第1個(gè)最大干密度對(duì)應(yīng)的含水率一般小于5%，而在填砂路基施工中一般是過量灑水，含水率肯定是大于5%的，所以選取第2個(gè)干密度峰值1.63 g·cm-3作為青砂的最大干密度，最佳含水率為16%.

2) 擊實(shí)功不同時(shí)，青砂的CBR峰值對(duì)應(yīng)的含水率也不相同，擊實(shí)功較小時(shí)，青砂CBR峰值出現(xiàn)于最佳含水率之前，擊實(shí)功較大時(shí)，青砂CBR峰值與最佳含水率相對(duì)應(yīng).

3) 不同的擊實(shí)功以及含水率下，青砂的CBR峰值都對(duì)應(yīng)于其最大干密度，說明青砂越密實(shí)，其承載力也越高.因此，施工需要保證青砂壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范的要求.

4) 根據(jù)青砂含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，總結(jié)出了灑水后的青砂需要放置半天再進(jìn)行碾壓，可以避免出現(xiàn)機(jī)械陷輪的現(xiàn)象，碾壓過程中需要適量灑水，使青砂的含水率在最佳含水率附近，保證青砂路基的壓實(shí)度.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]董明.砂土填筑高速公路路基新技術(shù)[J].甘肅科技,2006,22(1):54-55.

[2]中交第一公路工程局有限公司.公路路基施工技術(shù)規(guī)范：JTG F10-2006[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]董秀坤.毛烏素沙漠地區(qū)特殊路基處理技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[4]張務(wù)民.路基用吹填泥砂穩(wěn)定性能研究[J].中外公路,2011,31(3):1-5.

[5]張利杰.河砂在路基填筑中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2012.

[6]交通部公路科學(xué)研究院.公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40-2007[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Characterization of the Compaction and Bearing Strength of the Yangtze Sand

FANG Zheng1)LI Lei2)LIU Ziyao1)LUO Rong1)FENG Guangle3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ChangJiangRoadandBridge,Wuhan430212,China)2)(EngineeringQualitySupervisionBureau,TransportationDepartmentofHubeiProvince,Wuhan430014,China)3)

Abstract：Indoor California Bearing Ratio (CBR) tests are performed on Yangtze sand, which is sampled from the raw materials used for the sand-filling subgrade construction in the Jiangling section of the Qianjiang-Jiangling Highway, Hubei Province, to investigate why the wheels of the construction trucks are prone to sink during the sand-filling subgrade construction period. CBR tests serve the purpose of investigating how the degree of compaction and the CBR value of Yangtze sand changed with the water content and compaction work. The test results indicate that 1) the water content at the maximum CBR value is slightly lower than the optimum water content when the compact work is relatively small; 2) the CBR value reaches to the maximum value at the maximum dry density regardless of the compact work. It can be concluded from laboratory and field tests that 1) the sink of construction truck wheels could be avoided if it is half a day after the water pouring to the subgrade when the rolling compaction on the sand-filling subgrade is conducted in the local overcast climate; 2) water should be constantly poured on the subgrade during the sand-filling subgrade construction period so as to maintain the water content of Yangtze sand around the optimum water content and to ensure the degree of compaction.

Key words：green sand; moisture content; compaction work; degree of compaction; California bearing ratio (CBR)

收稿日期：2016-04-19

中圖法分類號(hào)：U415.6

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.032

方正(1994- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆饭こ?/p>

*湖北省交通運(yùn)輸廳交通運(yùn)輸建設(shè)研究項(xiàng)目資助(2014-721-2-6)